走査型容量顕微鏡

走査型容量顕微鏡（SCM ）は、走査型プローブ顕微鏡の一種で、細いプローブ電極を試料表面に接触または近接させて走査します。SCMは、試料表面とプローブ間の静電容量の変化から得られる情報を用いて、試料表面の特性を評価します。

歴史

走査型容量顕微鏡（Scanning Capacitance Microscopy）という名称は、DVDの前身となるビデオディスク技術であるRCA/CED（Capacitance Electronic Disc）^{[ 1 ]}の品質管理ツールを表すために初めて使用されました。その後、走査型プローブ顕微鏡と組み合わせて他のシステムや材料の測定にも使用されるようになり、半導体ドーピングプロファイリングが最も広く使用されています。

半導体に適用される SCM では、非常に鋭い導電性プローブ (通常はエッチングされたシリコン プローブに Pt/Ir または Co/Cr の薄膜金属コーティングを適用) を使用して、自然酸化物が存在する場合に半導体サンプルと金属-絶縁体-半導体 (MIS/MOS) コンデンサを形成します。酸化物が存在しない場合は、ショットキー コンデンサが形成されます。プローブと表面が接触した状態で、先端とサンプルの間にバイアスを印加すると、先端とサンプル間の静電容量が変化します。Williams らが開発した静電容量顕微鏡法では、プローブに接続された RCA ビデオ ディスク静電容量センサーを使用して、半導体表面静電容量の小さな変化 (アトファラッドからフェムトファラッド) を検出しました。次に、先端の高さを従来の接触力フィードバックによって制御しながら、半導体表面上で先端をスキャンします。

金属コーティングされたプローブに交流バイアスを印加すると、半導体表面層内でキャリアが交互に蓄積・減少し、探針-試料間容量が変化します。印加電圧に対するこの容量変化の大きさからキャリア濃度に関する情報（SCM振幅データ）が得られ、一方、容量変化と印加交流バイアス間の位相差から電荷キャリアの符号に関する情報（SCM位相データ）が得られます。SCMは絶縁層を介しても機能するため、電気特性の測定に有限の導電率は必要ありません。

解決

導電性表面では、分解能の限界は 2 nm と推定されています。^{[ 2 ]}高解像度のためには、粗い電極を持つコンデンサの容量を迅速に分析する必要があります。^{[ 3 ] [ 4 ]}この SCM の分解能は、原子ナノスコープに対して推定されるものよりも 1 桁優れていますが、他の種類のプローブ顕微鏡と同様に、SCM では、分析対象の表面を注意深く準備する必要があり、ほぼ平坦である必要があります。

アプリケーション

SCM は高い空間分解能を有するため、^{[ 2 ]}ナノ分光法の特性評価に有用なツールです。SCM 技術の応用例としては、半導体デバイス内のドーパントプロファイルを10 nm スケールでマッピングすること、^{[ 5 ]}原子層堆積法で成長させたハフニウムベースの高 k 誘電体膜の局所誘電特性を定量化すること^{[ 6 ]}および、形状の異なる個々のゲルマニウム量子ドットの室温共鳴電子構造の研究などがあります。^{[ 7 ]}原子間力顕微鏡(AFM) の先端の動きによって容量信号が周期的に変調される 動的走査容量顕微鏡の高感度^{[ 8 ]}を利用して、強磁場および極低温において、絶縁層の下 50 nm に埋め込まれた 2 次元電子ガス ( 2DEG ) 内の圧縮性および非圧縮性のストリップを画像化しました。 ^{[ 9 ]}

参考文献

1. Matey, JR; J Blanc (1985). 「走査型容量顕微鏡法」. Journal of Applied Physics . 57 (5): 1437– 1444. Bibcode : 1985JAP....57.1​​437M . doi : 10.1063/1.334506 .
2. Lanyi S; Hruskovic M (2003). 「走査型静電容量顕微鏡の解像度限界」. Journal of Physics D. 36 ( 5): 598– 602. doi : 10.1088/0022-3727/36/5/326 . S2CID 250739911 . 
3. NCBruce; A.Garcia-Valenzuela, D.Kouznetsov (2000). 「静電容量型顕微鏡における周期的導電面の画像化における横方向解像度の限界」. Journal of Physics D. 33 ( 22): 2890– 2898. Bibcode : 2000JPhD...33.2890B . doi : 10.1088/0022-3727/33/22/305 . S2CID 250860393 . 
4. NCBruce; A.Garcia-Valenzuela, D.Kouznetsov (1999). 「粗面コンデンサ：基本関数による静電容量の近似」. Journal of Physics D. 32 ( 20): 2692– 2702. Bibcode : 1999JPhD...32.2692B . doi : 10.1088/0022-3727/32/20/317 . S2CID 250847143 . 
5. CC Williams (1999). 「走査型容量顕微鏡による2次元ドーパントプロファイリング」. Annual Review of Materials Research . 29 : 471–504 . Bibcode : 1999AnRMS..29..471W . doi : 10.1146/annurev.matsci.29.1.471 .
6. Y. Naitou; A. Ando; H. Ogiso; S. Kamiyama; Y. Nara; K. Nakamura (2005). 「走査型容量顕微鏡法によるHf系高誘電率ゲート膜の誘電特性の空間的変動に関する研究」. Applied Physics Letters . 87 (25): 252908–1 to 252908–3. Bibcode : 2005ApPhL..87y2908N . doi : 10.1063/1.2149222 .
7. Kin Mun Wong (2009). 「分光走査型容量顕微鏡を用いた個々の自立型ゲルマニウムナノドットの電子構造の研究」 . Japanese Journal of Applied Physics . 48 (8): 085002–1 to 085002–12. Bibcode : 2009JaJAP..48h5002W . doi : 10.1143/JJAP.48.085002 .
8. A. Baumgartner; ME Suddards & CJ Mellor (2009). 「低温・高磁場ダイナミック走査型容量顕微鏡」. Review of Scientific Instruments . 80 (1): 013704–013704–8. arXiv : 0812.4146 . Bibcode : 2009RScI...80a3704B . doi : 10.1063 / 1.3069289 . PMID 19191438. S2CID 41495684 .  
9. ME Suddards, A. Baumgartner, M. Henini, CJ Mellor (2012). 「圧縮性および非圧縮性量子ホール効果エッジストリップの走査容量イメージング」. New Journal of Physics . 14 (8) 083015. arXiv : 1202.3315 . Bibcode : 2012NJPh...14h3015S . doi : 10.1088/1367-2630/14/8/083015 . S2CID 119118779 .